Drie-qubit computerplatform is gemaakt van elektronenspins

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Elektronenspinqubits — Platform voor meerdere qubits: in dit diagram bedient een STM-tip bedekt met ijzer (bovenkant) de sensor-spinqubit. Ook worden de op afstand gelegen spinqubits getoond, die zijn uitgelijnd door de magnetische velden van nabijgelegen ijzeratomen. (Met dank aan: Instituut voor Basiswetenschappen)

Onderzoekers in Zuid-Korea hebben een kwantumcomputerplatform gecreëerd dat in staat is tot de gelijktijdige werking van meerdere op spin gebaseerde kwantumbits (qubits). Ontworpen door Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andreas Heinrich en collega's van het Institute for Basic Science in Seoul, wordt het systeem atoom voor atoom samengesteld met behulp van een scanning tunneling microscoop (STM).

Hoewel de kwantumcomputers van de toekomst bij bepaalde taken beter zouden moeten presteren dan conventionele computers, zijn de opkomende kwantumprocessors van vandaag nog steeds te klein en te luidruchtig om praktische berekeningen uit te voeren. Er moet veel meer worden gedaan om levensvatbare qubit-platforms te creëren die informatie lang genoeg kunnen vasthouden om kwantumcomputers levensvatbaar te maken.

Qubits zijn al ontwikkeld met behulp van verschillende technologieën, waaronder supercomputercircuits en gevangen ionen. Sommige natuurkundigen willen ook graag qubits maken met behulp van de spins van individuele elektronen – maar dergelijke qubits zijn niet zo geavanceerd als sommige van hun tegenhangers. Dat betekent echter niet dat spin-gebaseerde qubits uit de running zijn.

“Op dit moment hebben alle bestaande platforms voor quantum computing grote nadelen, dus het is absoluut noodzakelijk om nieuwe benaderingen te onderzoeken”, legt Heinrich uit.

Nauwkeurige montage

Om een levensvatbare, op spin gebaseerde processor te creëren, moeten qubits nauwkeurig worden geassembleerd, betrouwbaar aan elkaar worden gekoppeld en op een kwantum-coherente manier worden gebruikt, allemaal op hetzelfde platform. Dit is iets dat tot nu toe aan onderzoekers is ontgaan, aldus het team uit Seoul.

De onderzoekers creëerden hun multi-qubit-platform met behulp van een STM, een krachtig hulpmiddel voor het afbeelden en manipuleren van materie op atomaire schaal. Wanneer de geleidende punt van een STM zeer dicht bij een monsteroppervlak wordt gebracht, kunnen elektronen kwantummechanisch tunnelen tussen de punt en het monsteroppervlak.

Omdat de waarschijnlijkheid van tunneling sterk afhangt van de afstand tussen de punt en het oppervlak, kan een STM de topografie op nanoschaal van het monster in kaart brengen door de stroom van deze tunnelende elektronen te meten. Individuele atomen op het oppervlak kunnen ook worden gemanipuleerd en geassembleerd door ze rond te duwen door de krachten op nanoschaal die door de punt worden uitgeoefend.

Met behulp van deze mogelijkheden heeft het team “het eerste qubit-platform gedemonstreerd met precisie op atomaire schaal”, aldus Heinrich. “Het is gebaseerd op elektronenspins op oppervlakken, die op atomair nauwkeurige afstanden van elkaar kunnen worden geplaatst.”

Sensorqubit

Met behulp van STM assembleerden de onderzoekers hun systeem op het ongerepte oppervlak van een dubbellaagse magnesiumoxidefilm. Het systeem bevat een ‘sensor’-qubit, een spin-1/2 titaniumatoom dat zich direct onder de STM-tip bevindt. De punt is bedekt met ijzeratomen, waardoor er een plaatselijk magnetisch veld mee kan worden aangelegd (zie figuur).

Aan weerszijden van de punt bevinden zich een paar ‘afgelegen’ qubits – ook spin-1/2 titaniumatomen. Deze worden op precieze afstanden van de sensorqubit geplaatst, buiten het gebied waar elektronentunneling tussen atomen kan plaatsvinden.

Om de externe qubits gelijktijdig met de sensorqubit te kunnen besturen, creëerde het team een magnetische veldgradiënt door ijzeratomen dichtbij te plaatsen. De ijzeratomen gedragen zich als magneten met één atoom, omdat hun spin-relaxatietijden de werkingstijden van individuele qubits ruimschoots overschrijden.

Op deze manier fungeren de ijzeratomen elk als vervanging voor de STM-tip door een statisch, lokaal magnetisch veld te bieden voor het uitlijnen van de spins van elke afgelegen qubit. Overgangen tussen de spintoestanden van de qubits worden gedaan door de STM-tip te gebruiken om radiofrequentiepulsen op het systeem toe te passen – een techniek die elektronenspinresonantie wordt genoemd.

Aangesproken en gemanipuleerd

Het team initialiseerde hun qubits door ze af te koelen tot 0.4 K, vervolgens een extern magnetisch veld aan te leggen om ze in dezelfde spintoestand te brengen en ze aan elkaar te koppelen. Daarna hing de toestand van de sensorqubit betrouwbaar af van de toestanden van beide externe qubits, maar kon nog steeds individueel worden aangesproken en gemanipuleerd door de STM-tip.

Het algehele resultaat was een geheel nieuw qubit-platform waarmee meerdere qubits tegelijkertijd konden worden gebruikt. "Ons onderzoek heeft poorten voor één qubit, twee qubits en drie qubits opgeleverd met een goede kwantumcoherentie", zegt Heinrich.

Hij voegt eraan toe dat “het platform zijn voor- en nadelen heeft. Voor de profs is het atomair nauwkeurig en kan het daarom gemakkelijk worden gedupliceerd. Wat de nadelen betreft: de kwantumcoherentie is goed, maar moet verder worden verbeterd.’

Als deze uitdagingen kunnen worden overwonnen, zien Heinrich en collega's een mooie toekomst voor hun systeem.

“Wij geloven dat deze aanpak relatief eenvoudig kan worden opgeschaald naar tientallen elektronenqubits”, zegt Heinrich. “Die elektronenspins kunnen ook controleerbaar worden gekoppeld aan kernspins, wat een efficiënte kwantumfoutcorrectie mogelijk zou kunnen maken en de beschikbare Hilbert-ruimte voor kwantumoperaties zou kunnen vergroten. We hebben zojuist het oppervlak bekrast!”

Het onderzoek is beschreven in Wetenschap.